專(zhuān)利名稱(chēng)：一種獲取海上船舶系統(tǒng)平均碰撞風(fēng)險(xiǎn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息技術(shù)和航海領(lǐng)域，特別是涉及一種獲取海上船舶系統(tǒng)平均碰撞風(fēng)險(xiǎn)的方法。
背景技術(shù)：
隨著全球貿(mào)易的繁榮發(fā)展，海上船舶交通流量日益增加，因此海上船舶交通系統(tǒng)的內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)也隨之明顯增加，從而導(dǎo)致海上智能交通管理的復(fù)雜程度和壓力也日益凸現(xiàn)。海上智能交通網(wǎng)絡(luò)是包含大量船舶的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，其碰撞事件在海上交通事故中占有很大比例，每年因其造成的經(jīng)濟(jì)損失和 人員傷亡很大。因此，對(duì)海上智能交通網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效的識(shí)別、評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制管理顯得異常重要。海上智能交通網(wǎng)絡(luò)中的船舶碰撞危險(xiǎn)度的研究得到了眾多研究者的關(guān)注，并應(yīng)用模糊理論、信息融合和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)信息處理技術(shù)獲得了一些有用的研究成果。目前普遍被人們采用的計(jì)算船舶碰撞危險(xiǎn)度的方案是:各避碰船以自身為標(biāo)準(zhǔn)，基于各自DCPA和TCPA和一些其他因素來(lái)獲得目標(biāo)船舶對(duì)本船的碰撞危險(xiǎn)度。因此，計(jì)算碰撞危險(xiǎn)度的方法研究主要從船舶操縱者角度進(jìn)行，是從微觀層面對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的衡量，難以滿足海事部門(mén)在進(jìn)行宏觀分析與全局決策上的需求，同時(shí)單一的(兩船)碰撞危險(xiǎn)度定義不具備直接描述系統(tǒng)(宏觀)層面的風(fēng)險(xiǎn)能力。也有一些文獻(xiàn)給出了對(duì)整個(gè)海域船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)的研究，但其中的風(fēng)險(xiǎn)是基于多年船舶航行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行的研究，是一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間尺度意義的系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。海事部門(mén)在全局決策的時(shí)候需要的系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)是時(shí)間尺度較短的‘即時(shí)’系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，也就是我們發(fā)明的內(nèi)容。到目前為止，尚未見(jiàn)到有關(guān)本發(fā)明涉及的獲取海上智能交通網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種獲取海上船舶系統(tǒng)平均碰撞風(fēng)險(xiǎn)的方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種獲取海上船舶系統(tǒng)平均碰撞風(fēng)險(xiǎn)的方法，該方法包括如下步驟:(1)獲取一段時(shí)間的AIS數(shù)據(jù):從船舶VTS系統(tǒng)中獲取一段時(shí)間的海上交通的標(biāo)準(zhǔn)AIS 數(shù)據(jù)；提取以下字段的數(shù)據(jù):mms1、shipname、sog、cog、heading、lon、lat 和 f_update_time。(2)從步驟I獲得的海上船舶AIS數(shù)據(jù)中提取某一采樣時(shí)刻各個(gè)船舶的航行數(shù)據(jù)。(3)對(duì)步驟2獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行層次聚類(lèi)和劃分類(lèi)別。(4)對(duì)步驟3中獲得的若干類(lèi)，進(jìn)行分層化簡(jiǎn)。(5)對(duì)步驟4中獲得的每層子系統(tǒng)，計(jì)算其系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。(6)根據(jù)結(jié)果判斷海上智能交通網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn):f\彡f時(shí)，認(rèn)為整個(gè)海上智能交通網(wǎng)絡(luò)即時(shí)系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)較大，fi<f時(shí)，認(rèn)為整個(gè)海上智能交通網(wǎng)絡(luò)的即時(shí)系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)較??；其中，f為風(fēng)險(xiǎn)閾值。本發(fā)明的有益效果是:根據(jù)獲取的海上智能交通網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)值可以為海事部門(mén)進(jìn)行海上碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，降低海上智能交通網(wǎng)絡(luò)的整體碰撞風(fēng)險(xiǎn)提供決策依據(jù)。


圖1是最短距離法聚類(lèi)得到的層次樹(shù)示意圖；圖2是最短距離法聚類(lèi)后按閾值分層結(jié)果示意圖；圖3是海上智能交通網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。本發(fā)明獲取海上船舶系統(tǒng)平均碰撞風(fēng)險(xiǎn)的方法，包括如下步驟:步驟1:獲取一段時(shí)間的AIS數(shù)據(jù)。從船舶VTS系統(tǒng)中獲取一段時(shí)間的海上交通的標(biāo)準(zhǔn)AIS數(shù)據(jù)。提取以下字段的數(shù)據(jù):mmsi (船號(hào))、shipname (船名)、sog (對(duì)地航速)、cog (對(duì)地航向)、heading (航向)、lon(經(jīng)度)、Iat (諱度)和f_update_time (更新時(shí)間)。步驟2:從步驟I獲得的海上船舶AIS數(shù)據(jù)中提取某一采樣時(shí)刻各個(gè)船舶的航行數(shù)據(jù)。將某一采樣時(shí)刻各個(gè)船舶的航行數(shù)據(jù)從步驟I中獲得的原始數(shù)據(jù)中提取出來(lái)，保存的格式與步驟I相同。步驟3:對(duì)步驟2獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行層次聚類(lèi)和劃分類(lèi)別。提取步驟2中船舶數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)是一個(gè)二維空間，由船舶的經(jīng)度和緯度經(jīng)過(guò)實(shí)際距離的換算得到，其換算是以零度經(jīng)線和緯線的交點(diǎn)為假想的坐標(biāo)軸原點(diǎn)，向東為正X方向，向北為正y方向。對(duì)換算過(guò)后的N艘船舶的一個(gè)采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)應(yīng)用最短距離(歐氏距離)法聚類(lèi)，得到大小為N的一個(gè)類(lèi)，N為船舶數(shù)量。這個(gè)類(lèi)是一個(gè)完整的分層樹(shù)，它反映的是船舶地理距離之間的關(guān)系，船舶之間按距離由近到遠(yuǎn)聚成一類(lèi)。然后我們用一個(gè)距離閾值d橫切聚類(lèi)樹(shù)，這個(gè)值將截?cái)鄻?shù)的若干個(gè)連接，屬于每個(gè)連接的船舶節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)類(lèi)。因此整個(gè)海上智能交通網(wǎng)絡(luò)被聚成若干類(lèi)，記為IC1, C2，C3，…，CJ，其中，Ci是聚類(lèi)劃分得到的類(lèi)， =1，2，...，η，η為自然數(shù)。每一個(gè)類(lèi)中的船舶間地理距離不超過(guò)d。其物理意義是:屬于一個(gè)類(lèi)中的船舶之間的最大距離是山換言之，合適選取閾值d可以將地理位置相距較近的船舶劃分為一類(lèi)。從船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的角度來(lái)看，距離越近的船舶之間發(fā)生碰撞事件的概率顯然要高一些，所以在接下來(lái)計(jì)算系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，不需要考慮屬于不同類(lèi)的船舶之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。圖1和圖2是上述方法的示意圖。步驟4:對(duì)步驟3中獲得的若干類(lèi)，進(jìn)行分層化簡(jiǎn)。對(duì)步驟3中得到的類(lèi)IC1, C2, C3,…，CJ，進(jìn)行進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。首先規(guī)定Si代表海上智能交通網(wǎng)絡(luò)的第i層子系統(tǒng)，Su為第i層子系統(tǒng)中的第j個(gè)系統(tǒng)。對(duì)類(lèi)的分層化簡(jiǎn)具體為:4.1、若Ci中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，顯然該類(lèi)中的船舶不構(gòu)成碰撞系統(tǒng)，無(wú)需考慮。
4.2、若Ci中只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，若滿足O ( TCPA ( t2(TCPA是最短會(huì)遇時(shí)間，t2是注意時(shí)間)，則作為第二層子系統(tǒng)S2+反之，無(wú)需考慮；4.3、若Ci中節(jié)點(diǎn)數(shù)多于兩個(gè)，遍歷Ci中的兩兩節(jié)點(diǎn)對(duì)，篩選留下來(lái)滿足O ( TCPA ( t2的節(jié)點(diǎn)對(duì)；如果無(wú)符合條件的節(jié)點(diǎn)對(duì)，那么無(wú)需考慮該類(lèi)；反之，這些節(jié)點(diǎn)對(duì)整體作為第二層子系統(tǒng)Sy ;如果節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)超過(guò)I，那么還需進(jìn)行下列簡(jiǎn)化:4.3.1記構(gòu)成某個(gè)第二層子系統(tǒng)Sy中的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)對(duì)為第四層子系統(tǒng)S4= (S4JS4y-S4ikKi=I;4.3.2、若S4 式0，j=l, Xi=S4ij (Xi 是中間變量)；反之，執(zhí)行 4.3.8 ；4.3.3、若 j〈k, j=j+l ；4.3.4、若S4j nX., Xi=S4jj U Xi ；4.3.5、重復(fù)步驟 4.3.3 和 4.3.4 ;4.3.B^S4=S4-Xi, i=i+l ；4.3.7、重復(fù) 4.3.2 4.3.6 ;4.3.8、Xi中的所有節(jié)點(diǎn)對(duì)構(gòu)成S3, i4.3.9、返回該第二層系統(tǒng)S2,」對(duì)應(yīng)的第三層子系統(tǒng)S3,S3,2…；4.4、重復(fù)步驟4.1-4.3，遍歷所有類(lèi)，最終得到整個(gè)海上智能交通網(wǎng)絡(luò)的層次劃分。第一層系統(tǒng)即為海上智能交通網(wǎng)絡(luò)，它包含若干個(gè)第二層子系統(tǒng)，每一個(gè)第二層子系統(tǒng)包含若干第三層子系統(tǒng)，每一個(gè)第三層子系統(tǒng)又由若干第四層子系統(tǒng)組成。整個(gè)層次關(guān)系如圖3所示。注意:對(duì)于只有一個(gè)兩船避碰系統(tǒng)的第二層子系統(tǒng)，該系統(tǒng)的第三層、第四層子系統(tǒng)和第二層子系統(tǒng)是一樣的。最終，整個(gè)海上智能交通網(wǎng)絡(luò)被劃分為四個(gè)層次的系統(tǒng)，并且一些不需要考慮碰撞風(fēng)險(xiǎn)的船舶被剔除，降低了計(jì)算復(fù)雜性。步驟5:對(duì)步驟4中獲得的每層子系統(tǒng)，計(jì)算其系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。5.1計(jì)算第四層子系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)第四層子系統(tǒng)實(shí)際上是兩船避碰系統(tǒng)。采用周江華、吳春杰:船舶碰撞危險(xiǎn)度模型的構(gòu)建，寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，2004，17(1),61-65.所述方法計(jì)算第四層子系統(tǒng)中兩船各自碰撞危險(xiǎn)度f(wàn)n (I相對(duì)于2的碰撞危險(xiǎn)度)和f2 —i (2對(duì)于I的碰撞危險(xiǎn)度)。記f12是船舶I與2構(gòu)成的避碰系統(tǒng)的系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。通常fn關(guān)f2 —1; f^2, /2^c
。如果用〖卜2和—工中的任何一個(gè)來(lái)衡量?jī)纱南到y(tǒng)整體碰撞風(fēng)險(xiǎn)，都存在一定的片面性，必然導(dǎo)致忽視或減弱另一個(gè)碰撞危險(xiǎn)度對(duì)系統(tǒng)整體碰撞風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)。但是由于—i和^是從不同的角度對(duì)同一個(gè)問(wèn)題的表征，三者之間必然存在一些聯(lián)系。這里采用將fp2和f2 —i加權(quán)的方式得到f12，即f12= a f j _ 2+ β f2 _ j其中，α和β分別是兩個(gè)危險(xiǎn)度的權(quán)重，它們滿足α+β=1。根據(jù)線性加權(quán)融合的基本原理，權(quán)重可以根據(jù)該系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)碰撞危險(xiǎn)度對(duì)系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)來(lái)確定?？梢岳斫猓ｋU(xiǎn)度較大的船舶的貢獻(xiàn)比危險(xiǎn)度較小的船舶貢獻(xiàn)大。但是，對(duì)于一個(gè)兩船避碰系統(tǒng)， 2和& —1是時(shí)變的，那么其權(quán)重U，β)也應(yīng)該是時(shí)變的。因此，取a=f^2(f^2+f2 —)和 β =f2—亦―2+u,則
權(quán)利要求
1.一種獲取海上船舶系統(tǒng)平均碰撞風(fēng)險(xiǎn)的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: (1)獲取一段時(shí)間的Ais數(shù)據(jù):從船舶VTS系統(tǒng)中獲取一段時(shí)間的海上交通的標(biāo)準(zhǔn)AIS數(shù)據(jù)；提取以下字段的數(shù)據(jù):mms1、shipname、sog、cog、heading、1n、Iat 和 f_update_time。
(2)從步驟I獲得的海上船舶AIS數(shù)據(jù)中提取某一采樣時(shí)刻各個(gè)船舶的航行數(shù)據(jù)。
(3)對(duì)步驟2獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行層次聚類(lèi)和劃分類(lèi)別:提取步驟2中船舶數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是一個(gè)二維空間，由船舶的經(jīng)度和緯度經(jīng)過(guò)實(shí)際距離的換算得到，其換算是以零度經(jīng)線和緯線的交點(diǎn)為假想的坐標(biāo)軸原點(diǎn)，向東為正X方向，向北為正y方向。對(duì)換算過(guò)后的N艘船舶的一個(gè)采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)應(yīng)用最短距離(歐氏距離)法聚類(lèi)，得到大小為N的一個(gè)類(lèi)，N為船舶數(shù)量。這個(gè)類(lèi)是一個(gè)完整的分層樹(shù)，它反映的是船舶地理距離之間的關(guān)系，船舶之間按距離由近到遠(yuǎn)聚成一類(lèi)。然后用一個(gè)距離閾值d橫切聚類(lèi)樹(shù)，這個(gè)值將截?cái)鄻?shù)的若干個(gè)連接，屬于每個(gè)連接的船舶節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)類(lèi)。因此整個(gè)海上智能交通網(wǎng)絡(luò)被聚成若干類(lèi)，記為IC1, C2, C3,…，CJ，其中，Ci是聚類(lèi)劃分得到的類(lèi)，i=l, 2，…，η，η為自然數(shù)。每一個(gè)類(lèi)中的船舶間地理距離不超過(guò)d。
(4)對(duì)步驟3中獲得的若干類(lèi)，進(jìn)行分層化簡(jiǎn):對(duì)步驟3中得到的類(lèi)IC1,C2, C3,…，CJ，進(jìn)行進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。首先規(guī)定Si代表海上智能交通網(wǎng)絡(luò)的第i層子系統(tǒng)，Si,j為第i層子系統(tǒng)中的第j個(gè)系統(tǒng)。對(duì)類(lèi)的分層化簡(jiǎn)具體為: (4.1)若(；中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，顯然該類(lèi)中的船舶不構(gòu)成碰撞系統(tǒng)，無(wú)需考慮。
(4.2)若Ci中只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，若滿足O ( TCPA ( t2 (TCPA是最短會(huì)遇時(shí)間，t2是注意時(shí)間)，則作為第二層子系統(tǒng)Sy ;反之，無(wú)需考慮； (4.3)若(；中節(jié)點(diǎn)數(shù)多于兩個(gè)，遍歷Ci中的兩兩節(jié)點(diǎn)對(duì)，篩選留下來(lái)滿足O < TCPAS t2的節(jié)點(diǎn)對(duì)；如果無(wú)符合條件的節(jié)點(diǎn)對(duì)，那么無(wú)需考慮該類(lèi)；反之，這些節(jié)點(diǎn)對(duì)整體作為第二層子系統(tǒng)Sy ;如果節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)超過(guò)`1，那么還需進(jìn)行下列簡(jiǎn)化: (4.3.1)記構(gòu)成某個(gè)第二層子系統(tǒng)S2，j中的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)對(duì)為第四層子系統(tǒng)S4= {S41, S42…S4jJ，1=1 ； (4.3.2)若&#0，J=LXi=S4jj (Xi 是中間變量)；反之，執(zhí)行 4.3.8 ;(4.3.3)若 j〈k，j=j+l ；(4.3.4)若S4j ^Xi Xi=S4 j U Xi ；(4.3.5)重復(fù)步驟 4.3.3 和 4.3.4 ; (4.3.6) S4=S4-Xi, i=i+l ；(4.3.7)重復(fù) 4.3.2 4.3.6 ; (4.3.8) Xi中的所有節(jié)點(diǎn)對(duì)構(gòu)成S3，i (4.3.9)返回該第二層系統(tǒng)S2，j對(duì)應(yīng)的第三層子系統(tǒng)S3;1，S3；2-； (4.4)重復(fù)步驟4.1-4.3，遍歷所有類(lèi)，最終得到整個(gè)海上智能交通網(wǎng)絡(luò)的層次劃分。第一層系統(tǒng)即為海上智能交通網(wǎng)絡(luò)，它包含若干個(gè)第二層子系統(tǒng)，每一個(gè)第二層子系統(tǒng)包含若干第三層子系統(tǒng)，每一個(gè)第三層子系統(tǒng)又由若干第四層子系統(tǒng)組成。
(5)對(duì)步驟4中獲得的每層子系統(tǒng)，計(jì)算其系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，具體包括以下步驟:(5.1)計(jì)算第四層子系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn):第四層子系統(tǒng)實(shí)際上是兩船避碰系統(tǒng)，計(jì)算第四層子系統(tǒng)中兩船各自碰撞危險(xiǎn)度f(wàn)h2 (第I條船相對(duì)于第2條船的碰撞危險(xiǎn)度)和f2y (第2條船對(duì)于第I條船的碰撞危險(xiǎn)度)。記f12是第I條船與第2條船構(gòu)成的避碰系統(tǒng)的系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)；f12=ct fn+β f2 —工；其中，α和β分別是兩個(gè)危險(xiǎn)度的權(quán)重,它們滿足α+β=1。α =f - 2 (f - 2+f2 -1)，β = -1 (f1- 2+f2 — i)，則:
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種獲取海上船舶系統(tǒng)平均碰撞風(fēng)險(xiǎn)的方法，該方法通過(guò)基于層次聚類(lèi)的化簡(jiǎn)算法對(duì)某一時(shí)刻整個(gè)海上智能交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分層簡(jiǎn)化，剔除無(wú)需考慮碰撞風(fēng)險(xiǎn)的船舶；然后以兩船避碰系統(tǒng)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)為基礎(chǔ)，應(yīng)用自底向上的平均加權(quán)融合的方法得到從子系統(tǒng)至整個(gè)海上交通網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。
文檔編號(hào)G08G3/02GK103106812SQ20131001628
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月17日
發(fā)明者張建斌, 李為, 李文華, 陳煉生, 陳積明, 黃習(xí)剛, 劉月勝, 曲義江, 彭鵬飛, 葛泉波, 周夢(mèng)婕 申請(qǐng)人:中華人民共和國(guó)深圳海事局, 浙江大學(xué)